セラミックスのナトリウム腐食挙動

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作成： 1999/01/14 舘　義昭データ番号　　　：110023 セラミックスのナトリウム腐食挙動目的　　　　　　：セラミックスの高温ナトリウムによる腐食挙動の解明研究実施機関名　：核燃料サイクル開発機構　大洗工学センター　ナトリウム・安全工学試験部　機器・構造安全工学グループ応用分野　　　　：耐熱材料,耐食材料,耐摩擦・摩耗材概要　　　　　　：　多くのセラミックス焼結体は、高速炉の冷却材に使用されている高温ナトリウムにより腐食を受ける。一般的な腐食形態は粒界腐食であり、特にセラミックス中に含まれるSiO₂等の不純物が大きな原因であることが知られている。Al₂O₃,SiC,Si₃N₄等の代表的なエンジニアリングセラミックスのナトリウム中腐食試験を実施し、外観観察,重量測定,元素分析などからそれらの腐食挙動を調査した。　詳細説明　　　　：　近年、その発展が著しいエンジニアリングセラミックスは、耐熱性や高温強度等において、金属材料には無い優れた特性を有している。このような特性を持つセラミックスを原子力施設の機器・構造物へ適用することを目的として、代表的な原子力環境の一つである高温ナトリウムによる腐食挙動を調査した。主な対象材料として、酸化物系セラミックスとしてAl₂O₃,ZrO₂に、非酸化物系セラミックスとしてSi₃N₄,SiC,Sialon,AlNに注目した。腐食試験にはループ型のナトリウム試験装置を使用し、セラミックス試験片を高温ナトリウム中へ一定時間浸漬し、その後、試験片の外観,微細組織等の観察、重量,元素分布の測定を実施した。ここで、腐食試験時のナトリウム温度は650℃であり、浸漬時間は最長4000時間である。　 (1)酸化物系セラミックス　ナトリウム浸漬により白色のAl₂O₃は灰色へ、灰色のZrO₂は褐色へ変色した。この変色はナトリウム温度や浸漬時間に依存し、ナトリウム温度が高くなるほど、また、浸漬時間が長くなるほど、さらに黒色へ変化した。重量変化はAl₂O₃が減少を、ZrO₂は増加を示した。それぞれの重量変化はナトリウム温度が高いほど、または、浸漬時間が長いほど大きくなる傾向を示した。Al₂O₃の重量変化はその純度に顕著に依存しており、図1に示すように純度が高い(99.9%以上)ものほど減少量は小さい。Al₂O₃に含まれる主な不純物は、Si,Mg,Ca等であり、これらは酸化物の形態でAl₂O₃中に存在している。特に、Al₂O₃の純度が低下すると、これらの不純物の中でもSi量が指数的に増加する。一方、ZrO₂の重量増加は腐食生成物の材料表面への付着とZrO₂内部へ浸入したナトリウムによるものであることが明らかとなった。低純度Al₂O₃(99.0%以下)の腐食形態やZrO₂内部へのナトリウム浸入は粒界で起こっており、いずれのナトリウム腐食も粒界腐食であるといえる。　 (2)非酸化物系セラミックス　ナトリウム浸漬により灰色のSi₃N₄,Sialonの外観は褐色から黒色へ変化し、白色のAlNは灰色へ変化する。一方、黒色のSiCはあまり大きな色の変化は認められなかった。Si₃N₄,Sialon,SiCの重量変化はいずれも減少を示し、その減少量はナトリウム温度が高いほど、また、浸漬時間が長いほど大きい(図1)。一方、AlNは4000時間までのナトリウム浸漬による重量変化は非常に小さかった。Si₃N₄,Sialon,SiCではナトリウムは材料内部へ浸入し、特にSialonでは図2に示すように表面近傍の母材元素の溶出およびナトリウムとの反応が起こっていると考えられる。ナトリウムの浸入は粒界を通じて起こっており、材料内部においてもナトリウムは粒界相に存在している。また、SiCでは図3に示すようにナトリウム腐食により表面近傍の粒界相が消失し、多くの空隙が観察された。一方、AlNは材料内部へのナトリウムの浸入や表面近傍の組織変化は観察されなかった。図1　Weight Change of Ceramics after Sodium Corrosion Test.(a) Oxide Ceramics, (b) Non Oxide Ceramics 図2　Elemental Variation of Sodium Exposed Sialon 図3　Microstructure of SiC after Sodium Exposure 　上述のように、Al₂O₃,AlNは高温ナトリウムに対して比較的良好な耐食性を示しているが、この耐食性はSiO₂等の不純物の含有が非常に少ないことが条件であると考えられる。一方、ZrO₂,Si₃N₄,Sialon,SiCでは材料内部へのナトリウムの浸入が活発であり、このナトリウム浸入によって、材料の表面近傍では腐食生成物の形成や母材元素の溶出、粒界相の消失などのナトリウム腐食が生じている。　コメント　　　　：　　原論文１ Data source 1： Compatibility of Ceramics with Liquid Sodium Y. Tachi, Y Hirakawa, E. Yoshida and S. Kano 核燃料サイクル開発機構、東茨城郡大洗町成田町4002 Proc. of 28th Inter. SAMPE Tech. Conf. (1996) p. 711 参考資料１ Reference 1：高温液体ナトリウムによる各種セラミックスの腐食特性舘　義昭、加納　茂機、平川　康、吉田　英一核燃料サイクル開発機構、東茨城郡大洗町成田町4002 PNC TN9410 93-106 (1993) 参考資料２ Reference 2：高温ナトリウム中での腐食舘　義昭核燃料サイクル開発機構、東茨城郡大洗町成田町4002 セラミックス Vol. 30, No.11 (1995) pp. 989-991 キーワード：セラミックス、ナトリウム、腐食、粒界、不純物 ceramics, sodium, corrosion, grain boundary, impurity 分類コード：110202
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